[01822969]环境污染物光谱检测关键技术及系统实现

课题来源与背景： 国家自然科学基金资助项目“基于荧光机理的水环境污染物检测识别及系统实现”（项目编号：60974115）;河北省自然科学基金资助项目“污染气体荧光与吸收谱检测技术及系统实现”（项目编号：F2010001313）由燕山大学独立承担完成。 工程测试过程中,及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测预报和自动控制己成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门急待解决的重要问题之一;伴随着煤和石油的大量使用,空气中产生了大量的有害物质。动态监测污染气体浓度,实时掌握污染源和大气环境中污染气体含量状态,为国家环保部门提供宏观决策和环境管理的根本保证。 光纤气体传感技术以其优越的性能越来越受到人们的关注。本课题旨在将光学传感技术与弱信号检测处理技术相结合,综合荧光分析与吸收谱检测技术,研制出适用于多种污染物监测的仪器。 技术原理及性能指标： 1). 应用分子光谱学和能级跃迁理论分析气体吸收光谱、激发光谱和荧光光谱的特性参数,确定激发光源的光谱特性,建立光学信息处理技术的数学模型。在实验室采用宽带光源、窄带激光器、光纤光谱仪及荧光光谱仪等测定出被测气体CH4、SO2、NO2、空气中与水溶液的PAHS以水溶液中成品油样品的浓度与吸收、激发及荧光光谱的特性关系。 2). 按一定比例配制不同浓度的样品,应用本光纤测量系统样机测定的数据,绘制样品浓度与特定光谱下相对光强关系曲线及气体浓度 与荧光寿命的关系曲线。用标准仪器（由环保单位协助）测定出被测气体的标准浓度,对气体测量子系统进行标定,使用已知含量样品溶液验证其测量回收率的方式对溶液测量子系统进行校正,在对测量结果进行分析的基础上,确定数学模型的特性参数。 3). 应用相敏检波、比值处理、小波去噪技术实现弱光信号及荧光寿命的检测,对信号处理电路的稳定性和精确性进行分析,确定影响信号处理电路的关键因素。 4). 在对光学检测系统的重要指标,如稳定性、重复性和抗干扰等进行考核的基础上,做系统的在线气体测量实验。对实验结果进行分析,确定实验样机实用化过程中的各项关键参数。 5). 应用导波光学及模场理论分析空芯光子带隙光纤的传光特性,设计并制备适用于气体传感的光子晶体光纤探头。根据测量水中石油类物质的应用特点,设计并制备适用于水环境中荧光测量的光纤探头。 研制CH4、SO2、NOx等气体测量系统样机一套,性能指标达到： 测量对象 CH4 、PHAS SO2、NO2 水中石油类 量程 0～2×10-1 0～5×10-4 10-4～10-8 分 辨 率 2×10-6 2×10-9 10-9 误 差 0.10% 输 出 计算机实时显示,软件显示分析结果 技术关键与创新 1). 反应室的优化设计及结构参数的选取,解决微弱荧光信号的产生及高效收集与传输技术;采用了光源的频率调制及波长稳定技术,测量信号和参考信号的比值处理技术;探测信号的相敏检波、比值处理、小波去噪技术的综合运用。提高荧光传感系统对被测量的检测灵敏度,保证设计仪器的检测灵敏度和可靠性,使其具有实际应用价值。 2). 研究激发光源的光谱特性、光纤的传输特性、色散元件的分光特性、光谱分析用高性能线阵CCD的光谱响应特性等。对系统进行模块化设计,包括激发光源、光纤探头、光耦合器、多色仪、光电转换、数据采集和荧光信号处理系统等;研究荧光信号的高效收集、耦合与传输;实现微控器控制下荧光信号的光电转换、扫描、荧光强度测量与高速数据采集。 3). 采用光谱吸收及荧光谱分析技术相结合的检测方法,在单一系统中同时实现被测物的吸收及荧光谱分析,提高被测物浓度检测精度,构建了通用多功能仪器系统,拓展仪器应用领域和使用范围。研究复用理论及实现方法,进行多路复用技术在光纤气体测量中的应用研究,使得多个光纤气体传感器共用同一个激光光源或同一套处理设备。 4). 设计并制备了同时适用于荧光及吸收谱检测的光子晶体光纤探头,为高灵敏度全光纤气体检测系统的实现奠定理论与应用基础。 应用情况及存在问题： 从2008年1月至2011年9月,课题组采取光电检测和光纤传输相结合的方法,对光纤荧光式污染气体及水体中多环芳烃传感机理及系统进行理论与实践研究,研制出检测甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）、多环芳烃等物质浓度样机并通过了中试试验,该系统具有响应速度快、精度高、稳定性好以及抗干扰能力强等优点。该仪器已在秦皇岛市恒科科技有限公司、秦皇岛市北戴河兰德科技有限责任公司及秦皇岛市协力科技开发有限公司生产和应用,具有广阔的应用和推广空间。 该仪器目前能够测量的污染气体及有机污染物的种类限于甲烷、二氧化硫、氮氧化物及PAHs。而大气环境中污染气体的种类众多,水体环境中污染成分庞杂。因此,需在传感探头设计及传感机理上进一步研究,拓宽仪器的测量对象和测量范围,实现对其它污染气体及水体污染物的检测,使仪器具有更广阔的推广和使用空间。